RO127854A2 - Metodă de determinare a concentraţiei unor analiţi prin aplicarea controlată a unui stimul periodic - Google Patents

Metodă de determinare a concentraţiei unor analiţi prin aplicarea controlată a unui stimul periodic Download PDF

Info

Publication number
RO127854A2
RO127854A2 ROA201100136A RO201100136A RO127854A2 RO 127854 A2 RO127854 A2 RO 127854A2 RO A201100136 A ROA201100136 A RO A201100136A RO 201100136 A RO201100136 A RO 201100136A RO 127854 A2 RO127854 A2 RO 127854A2
Authority
RO
Romania
Prior art keywords
actuation
indicator particles
concentration
sample
analytes
Prior art date
Application number
ROA201100136A
Other languages
English (en)
Other versions
RO127854B1 (ro
Inventor
Eugen Gheorghiu
Original Assignee
Centrul Internaţional De Biodinamică
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centrul Internaţional De Biodinamică filed Critical Centrul Internaţional De Biodinamică
Priority to ROA201100136A priority Critical patent/RO127854B1/ro
Priority to EP12733235.1A priority patent/EP2710359B1/en
Priority to PCT/RO2012/000003 priority patent/WO2012141605A1/en
Priority to US13/398,472 priority patent/US9315855B2/en
Publication of RO127854A2 publication Critical patent/RO127854A2/ro
Publication of RO127854B1 publication Critical patent/RO127854B1/ro

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

Invenţia se referă la o metodă de detecţie şi de determinare a concentraţiei unor analiţi de interes într-un fluid, destinată unor aplicaţii în controlul calităţii mediului, industria alimentară, farmaceutică, biotehnologie sau medicină. Metoda conform invenţiei constă din aplicarea anumitor câmpuri electrice, magnetice, mecanice, optice asupra unor constituenţi dintr-un compartiment analitic, unde constituenţii constau dintr-o probă de analizat şi/sau o suspensie care conţine particule indicatoare, şi pot fi: analiţi, structuri alcătuite din analiţi şi compuşi legaţi afin de aceştia, sau compuşi cu rol indicator, legaţi afin de un senzor, urmată de o etapă de monitorizare a oscilaţiilor constituenţilor din compartimentul analitic, ca urmare a condiţiilor aplicate, monitorizare realizată prin intermediul unor metode electrice, ca, de exemplu, prin măsurarea impedanţei, şi/sau optice, ca, de exemplu, prin rezonanţa plasmonilor de suprafaţă, determinându-se parametrii utili, iar în final se determină prezenţa sau concentraţia de analit din probă utilizând curbe de calibrare determinate în prealabil din analiza unor probe cu concentraţii cunoscute de analiţi.

Description

Invenția se referă la o metodă de detecție și de: determinare a concentrației unor analiți de interes într-un fluid, destinată unor aplicații în controlul calității mediului, industria alimentară, farmaceutică, biotehnologie sau medicină. Metoda conform invenției constă din aplicarea anumitor câmpuri electrice, magnetice, mecanice, optice asupra unor constituenți dintr-un compartiment analitic, uride constituenții constau dintr-o probă de analizat și/sau o suspensie care conține particule indicatoare, și pot fi: analiți, structuri alcătuite din analiți și compuși legați afin de aceștia, sau compuși cu rol indicator, legați afin de un senzor, urmată de o etapă de monitorizare a oscilațiilor cpnstituențiior din compartimentul analitic, ca urmare a condițiilor aplicate, monitorizare realizată prin intermediul unor metode electrice, ca, de exemplu, prin măsurarea impedanței, și/sau optice, ca, de exemplu, prin rezonanța plasmonilor de suprafață, dețerminându-se parametrii utili, iar în final se determină prezența sau concentrația de analit din probă utilizând curbe de calibrare determinate în prealabil din analiza unor probe cu concentrații cunoscute de analiți.
Revendicări: 4
Figuri: 3
Fig. 1
Cu începere de lă dată publicăriicererii de brevet, cererea asigură, îb mod provizoriu, solicitantului, protecția conferită potrivit dispozițiilor art.32 dinLegea nr,64/1991, cu excepția cazurilor în care cererea de brevet de invenție a fost respinsă, retrasă sau consideratăca fiind retrasă, întinderea protecției conferite de cererea de brevet de inven țieeste determinată de revendicările conținute în cererea publicată în conformitate cu art.23 alin.(i) - (3).
[OFICIUL DE STAT PENTRU ’NVENȚII Șl MĂRC1I i Cerere de Grevat de· invenție
Metodă de detecție si de determinare a concentrației unor analiți prin aplicarea controlată a unu/stimul periodic
DESCRIERE
Invenția se referă la o metodă de detecție si de determinare a concentrației unor analiți de interes într-un fluid (ex lichid) fiind destinată unor aplicații în controlul calității mediului, industria alimentară, farmaceutică, biotehnologie sau medicină.
Sunt cunoscute metode analitice optice (ex. Rezonanța Plasmonilor de Suprafață SPR) sau electrice (bazate pe măsurători de impedanță) de detectare a prezenței, sau determinare a concentrației unor compuși într-o soluție de interes care se bazează pe principiile de recunoaștere specifică de tipul ligand - receptor. Deși răspund parțial cerințelor de sensibilitate, aceste metode se bucură de un interes deosebit pentru faptul că se pretează la automatizare și permit detecția specifică a analiților dintr-o gamă diversă de domenii aplicative, de la industria alimentară la medicină în categoria analiților țintă se înscriu compuși cu dimensiuni, compoziție și structură diferită, de la molecule cu masă moleculară mică, până la celule patogene. Fiecare tip de analit impune abordări diferite:
Astfel, United States, US Patent 7718355 prezintă o metodă de detecție în timp real a micro-organismelor patogene utilizând un biosenzor SPR modificat în flux care constă în:
a) o etapă volumică (în șarjă) de reacție imună realizată între micro-organismul patogen și un anticorp specific, urmată de
b) separarea selectivă a micro-organismelor patogene legate de anticorp;
c) legarea în flux de suprafața senzorului SPR a micro-organismelor patogene.
O altă metodă de detecție a micro-organismelor patogene folosind determinări de impedanță, prin utilizarea de anticorpi, este prezentată în US Patent (Application) 20020076690. Brevetul respectiv descrie o metoda de detecție a prezenței patogenilor atașați de particule acoperite cu anticorpi, prin măsurători de impedanță care constă în injecția probei (susceptibilă să conțină patogeni) într-un sistem cu (micro)fluidică. Circulând în imediata vecinătate a unor electrozi interdigitați, pe susprafața cărora au fost imobilizați anticorpi, patogenii se pot lega de anticorpii respectivi, caz în care se modifică impedanța electrozilor, modificare utilizată pentru detectarea prezenței patogenilor. Pentru a amplifica semnalul, după introducerea probei se injectează o suspensie cu particule acoperite cu aceiași anticorpi care se vor lega de patogenii captați specific pe senzor, determinând o modificare suplimentară a impedanței măsurate între electrozi alăturați.
CA-2 Ο 1 1 - Ο Ο 1 36 - 1 6 -02- 2011
Pentru analiza compușilor de masă moleculară mică amintim:
• Brevetul US 5641640 care prezintă o metodă de determinare a prezenței analitului într-o probă lichidă prin SPR, respectiv prin analiza modificărilor datorate variației indicelui de refracție de la nivelul unei suprafețe optice solide în contact cu proba. Schimbarea este cauzată de legarea specifică a analitului. Variația indicelui de refracție este dependentă atât de cantitatea de analit legat la suprafața senzorului, cât și de lungimea de undă. Conform invenției, metoda constă în determinarea variației cu lungimea de undă a indicelui de refracție rezultat datorită legării sau dezlegării compusului la nivelul suprafeței senzorului. Această variație este reprezentativă pentru cantitatea de analit din probă.
• Brevetul US 7678256 care prezintă o metodă de determinare a prezenței a cel puțin unei specii de analit folosind măsurători de impedanță în microcanale. Determinarea de anal iți în probe lichide se bazează pe concentrarea analitului în zona de măsură folosind dielectroforeza și detectarea analitului prin măsurători de impedanță.
Dezavantajul major al soluțiilor prezentate constă în sensibilitatea limitată a acestor abordări care se bazează exclusiv pe diferența semnalelor (SPR sau de impedanță) dintre nivelul corespunzător analitului legat de senzor și cel premergător injecției probei, semnal inerent mic. Sensibilitatea scăzută face necesară apelarea la o etapă preliminară de concentrare, care de regulă este costisitoare (presupune reactivi și echipamente specializate) și este de durată; în cazul micro-organismelor patogene etapa de cultivare depășește de cele mai multe ori 24 de ore.
Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în creșterea sensibilității și obținerea unei limite de detecție corespunzătoare unor concentrații mici ale analiților țintă, fără să fie nevoie de etape suplimentare de preconcentrare/cultivare micro-biologică, prin aciuarea periodică a compușilor aflați în compartimentul de măsură prevăzut cu senzori pentru analize optice (ex. SPR) sau/și electrochimice (ex. impedanța).
Invenția descrie o metodă de detecție si de determinare a concentrației unor analiți într-un fluid (ex. mediu lichid), respectiv a unor compuși ex. celule, proteine, antibiotice, catene ADN, pentru care există parteneri afini (anticorpi, aptameri etc).
Metoda are la bază analiza amplitudinii, sau/si fazei cu care variază un parametru electric ex. partea reală, sau imaginară (sau o funcție de acestea) a impedanței la o anumită frecvență și/sau un parametru optic (ex. unghiul pentru care apare minimul reflectivității, pentru analize SPR) la aplicarea unei aciuări periodice.
^-2011-00136-16-02- 2011
Prezența unui analit țintă influențează oscilația rezultată în urma aciuării, analiza parametrilor caracteristici oscilației permițând determinarea concentrației analitului țintă. Compuși cu relevanță pentru metoda analitică prezentată pot fi:
- anal iții țintă (de care pot fi legate particule cu rol fie în aciuare, fie în creșterea diferenței de semnal corespunzătoare celor două nivele extreme ale oscilației), în cazul celulelor (micro-organismelor) patogene;
- particule indicatoare legate de suprafața senzorului în zone complementare celor în care s-a legat în prealabil analitul țintă (ex. pentru determinarea concentrației analiților cu masă moleculară redusă);
- particule indicatoare legate de catena complementară, în cazul în care analitul țintă îl reprezintă o anume catenă de ADN.
Semnalele utile se obțin prin monitorizarea modificărilor proprietăților ex. electrice, sau/ și optice aferente variațiilor datorate modificărilor unor parametri (ex: electrici, optici, de poziție, de deformare, sau/și de legare specifică) cauzate de aplicarea unei aciuări asupra compușilor din compartimentul analitic. Măsurătorile se fac prin intermediul unor senzori (ex. electrozi modificați) care trebuie sa fie compatibili cu metodele analitice respective. Astfel, pentru măsurătorile de impedanță (electrice) este necesară cel puțin o pereche de electrozi a căror configurație (formă, dimensiune, poziționare) să permită obținerea unui semnal cât mai sensibil. Electrozii corespunzători măsurătorii de impedanță pot fi distincți sau unul dintre ei poate fi comun cu suprafața cu proprietăți plasmonice utilizată pentru analize SPR.
Cunoașterea parametrilor la care se face aciuarea permite amplificarea selectivă a semnalului util (aferent deplasării, sau/și deformării analiților țintă ex. celulele) cu multe ordine de mărime. De remarcat că astfel pot fi evidențiate semnale relativ mici, chiar sub nivelul de zgomot, corespunzătoare variației proprietăților electrice și optice aferente pozițiilor extreme determinate de aciuare.
Metoda conform invenției constă în prepararea (fiincționalizarea) elementelor senzoristice, sau de recunoaștere specifică, prepararea probei pentru a fi introdusă (în stare lichidă) în compartimentul analitic, injectarea în compartimentul analitic a probei, sau/și după caz, a suspensiei concentrate care conține particule indicatoare, alegerea parametrilor optimi de aciuare și aplicarea aciuării care să conducă la modificări periodice ale unor parametri (ex: electrici, optici, de poziție, de deformare, sau/și de legare specifică) ai constituenților din compartimentul analitic, monitorizarea efectului aciuării asupra constituenților din compartimentul analitic, prin intermediul unor parametri ex. electrici (impedanța) și/sau optici λ-2 Ο 1 1 - Ο Ο 1 36 - 1 6 -02- 2011 (SPR), cu determinarea parametrilor utili, detecția analitului și determinarea concentrației de analit în baza curbelor de calibrare aferente acelorași analize aplicate unor probe cu concentrații cunoscute de analiți. Constituenții din compartimentul analitic, pot fi analiții țintă, sau structuri alcătuite din analiți și compuși legați afin de aceștia.
Avantajele principale al metodei constau în:
• sensibilitate crescută, ceea ce permite determinarea unor concentrații minime foarte mici ale analitului țintă, fără să fie nevoie de etape suplimentare de preconcentrare/cultivare micro-biologică;
• timp scurt de analiză, rezultatul se obține în una-două ore;
• modulele de aciuare și de analiză pot fi aceleași pentru întrega plajă de analiți, de la celule la compuși cu masă moleculară mică sau catene ADN.
• sistemele implicate în realizarea determinărilor (pregătire a probei, microfluidică, aciuare și analiză) nu sunt costisitoare și nu presupun personal specializat;
Se prezintă în continuare trei posibile exemple de aplicare a acestei metode (care nu limitează domeniul ei de aplicare) și în legătură cu fig. 1-3 care reprezintă:
Figura 1 - Schema de detecție si de determinare a concentrației unor micro-organisme (celule) patogene;
Figura 2 - Schema de detecție si de determinare a concentrației unor analiți cu masă moleculară mică (ex. toxine);
Figura 3- Schema de detecție si de determinare a concentrației unor catene ADN prin monitorizarea reacției de hibridizare;
Metoda se bazează pe monitorizarea variațiilor datorate modificărilor unor parametri (ex: electrici, optici, de poziție, de deformare, sau/și de legare specifică) cauzate de aplicarea unei aciuări (electrice, magnetice, mecanice, optice etc) asupra compușilor din compartimentul analitic. Aceste variații pot corespunde unor pararametri optici (ex.: corespunzători Rezonanței Plasmonilor de Suprafață, SPR), sau/și electrici (ex.: corespunzători impedanței la o frecvență specifică).
Monitorizarea semnalelor (ex. optice și electrice) cauzate de aplicarea aciuării se realizează la nivelul unui compartiment (platformă) analitic unic în care este integrat un sistem de microfluidică care, de exemplu, cuprinde o cuvă prevăzută cu un senzor ex. SPR și cel puțin o pereche de senzori (electrozi) pentru analize electrice, electrochimice (ex. de impedanță).
Modulul de aciuare poate fi același indiferent de tipul analitului care se dorește să fie determinat. Condițiile de aciuare, respectiv: câmpul aplicat (ex. magnetic, electric, optic, ιχ2 Ο 1 1 - Ο Ο 1 3 6 - 1 6 -02- 2011 mecanic), precum și parametrii de aciuare: frecvența, profilul evoluției intensității, pozițiile limită sunt întotdeauna cunoscute și controlate.
în vederea detecției și determinării concentrației unor analiți, metoda prevede parcurgerea următoarelor etape, în ordine cronologică:
1) Se prepară (funcționalizează) elementele senzoristice sau de recunoaștere specifică, respectiv:
a. se imobilizează elemente de recunoaștere afină pe suprafața unor particule indicatoare;
b. se prepară (funcționalizează) suprafața senzorilor din compartimentul analitic, realizându-se, după caz:
i. imobilizarea unor compuși care conțin elemente afine care, în funcție de tipul de analit țintă, pot avea legate particule indicatoare (la capătul opus senzorului);
ii. pasivarea acestora (pentru împiedicarea oricărei adsorbții) în cazul în care recunoașterea specifică a analitului se face prin incubarea probei cu particule indicatoare, în etapa de preparare a probei;
2) Se prepară proba pentru a fi introdusă, în stare lichidă în compartimentul analitic, după caz: direct, sau după incubare cu particule indicatoare;
3) Se injectează în compartimentul analitic proba, sau/și după caz, o suspensie concentrată care conține particule indicatoare;
4) Se stabilesc condițiile de actuare, respectiv: câmpul aplicat (ex. magnetic, electric, optic, mecanic etc), precum și parametrii de actuare, ex. frecvența, profilul evoluției intensității, pozițiile limită și se aplică actuarea care să conducă la modificări măsurabile, de regulă periodice, ale unor parametri (ex: electrici, optici, de poziție, de deformare), sau/și după caz, la eficientizarea legării afine, cauzate de aplicarea actuării asupra constituenților din compartimentul analitic: analiți, sau structuri alcătuite din analiți și compuși legați afin de aceștia, sau compuși cu rol indicator legați afin de senzor;
5) Se monitorizează semnalele (ex. optice și electrice) cauzate de aplicarea actuării asupra constituenților din compartimentul analitic prin intermediul unor parametri ce pot fi iA-2 01 1 - 0 0 ^56-1 6 -02- 2011 ] electrici (impedanța) și/sau optici (SPR) determinându-se parametrii utili (ex.
amplitudine și defazaj față de sistemul de actuare);
6) Se determină concentrația de analit utilizând curbe de calibrare determinate în prealabil din analiza unor probe cu concentrații cunoscute de analiți. Detecția, respectiv semnalarea prezenței analitului, indică faptul că analitul se găsește în probă la o concentrație cel puțin egală cu concentrația minimă (ce corespunde limitei de detecție a metodei).
In cele ce urmează se prezintă trei posibile exemple de aplicare ale acestei metode, care nu sunt limitative, după cum urmează:
A. Pentru detecția si determinarea concentrației unor analiți cu masa moleculară mare, de tipul: agregate, particule, sau micro-organisme așa cum este reprezentat în fig. 1 se parcurg următoarele etape:
1) se funcționalizează (prepară) particule indicatoare (ex. particule super-paramagnetice) imobilizându-se pe suprafața acestora compuși afini (ex. anticorpi sau aptameri) specifici analitului țintă (care se dorește să fie detectat);
2) se prepară proba susceptibilă să conțină analiți țintă prin aducere în stare lichidă și se incubează împreună cu o suspensie cu concentrație optimă de particule indicatoare care au imobilizate pe suprafața lor compuși care se pot lega specific de analitul țintă;
3) se extrage din compartimentul de incubare, se concentrează și se injectează în compartimentul analitic, suspensia în care se află clustere de analiți și particulele indicatoare, precum și (după caz) o cantitate reziduală de particule indicatoare nelegate de analiți; se poate considera o etapă de separare care să elimine din volumul care va fi analizat cantitatea de particule indicatoare nelegate de analiți;
4) se stabilesc condițiile de actuare, respectiv: câmpul aplicat (ex. magnetic, electric, optic, mecanic etc), precum și parametrii de actuare, ex. frecvența, profilul evoluției intensității, pozițiile limită și se aplică aciuarea (cu ajutorul modulului cu acest rol) care conduce la modificări măsurabile ale unor parametri (ex: electrici, optici, de poziție, de deformare) cauzate de aplicarea aciuării asupra constituenților din compartimentul analitic: analiți, sau conglomerate analiți -compuși legați afin de acestea. Actuarea poate fi magnetică, electrică, optică, mecanică. într-un exemplu de aplicare, actuarea poate fi directă, sau indirectă, prin intermediul unor câmpuri magnetice a căror configurație se modifică periodic, caz în care analitul țintă este legat specific cu un set de particule magnetice (indicatoare) care determină a-2 O 1 1 - O o 1 36 - 1 6 -02- 2011
deplasarea, sau/și deformarea respectivă a clusterelor și, după caz, a particulelor indicatoare nelegate de analiți.
5) se monitorizează semnalele (ex. optice, electrice, de poziție) cauzate de aplicarea aciuării asupra constituenților din compartimentul analitic prin intermediul parametrilor electrici (impedanța) și/sau optici (SPR) determinându-se parametrii utili, precum amplitudinea și defazajul față de sistemul de aciuare;
6) se detectează prezența, sau se determină concentrația de analiți utilizând curbe de calibrare.
în cele ce urmează prezentăm un exemplu concret de realizare, respectiv de determinare a concentrației unui analit cu masa moleculară mare, Escherichia Coli. Au fost parcurse următoarele etape:
Se prepară o suspensie de particule indicatoare, PI, la suprafața cărora se imobilizează elementele de recunoaștere afină astfel:
- se prepară o suspensie de PI super paramagnetice Masterbeads (Adembeads, Franța) cu diametrul de 500nm, în apă deionizată (A.D.) cu concentrația de IO9 particule/mL
- suspensia de PI se spală cu soluție tampon acid 2-(N-morfolino) etansulfonic (MES) 50 mM pH 5.4
- se prepară un amestec de l-etil-3-(3-dimetilaminopropil) carbodiimida (EDC)/ Nhidroxisuccinimida (NHS) 4:1 în MES
- se înlocuiește soluția de MES cu cea de EDC/NHS
- suspensia de PI se agită 10 min. la 3TC si 1500 rpm - etapă de activare a grupărilor carboxilice
- suspensia de PI se spală cu A.D. și apoi cu soluție tampon PBS pH 7.4
- se înlocuiește soluția de PBS cu soluția de PBS în care se găsește proteina de imobilizat (1 mg/mL) respectiv anticorpul Anti-E. coli
- suspensia de PI se agită 2 h la 37°C, 1500 rpm - etapa de imobilizare a proteinei
- suspensia de PI se spală de 2 ori cu PBS pH 7.4
- se înlocuiește soluția de PBS cu soluția de etanolamină pH 8.5 - etapa de blocare a situsurilor active de care nu s-a legat Anti-E. coli
- suspensia de PI se spală de 2 ori cu PBS pH 7.4
Incubarea probei cu PI imobilizate cu elemente de recunoaștere specifică
- suspensia de PI imobilizate se ultrasonează 10 min.
4-2 Ο 1 1 - Ο Ο 36 - 1 6 -02- 2011
- la un volum de 100 μι de probă se adaugă 1 pL de suspensie de PI imobilizate. Raportul de Phcelule (E.colÎ) este de 1:100 fiind optimizat pentru o concentrație de 105 celule/mL
- proba cu PI se agită 1 h Ia 7’C, 1500 rpm
- suspensia se spală cu soluție tampon de măsură PBS și se injectează imediat
Alegerea configurației de aciuare: actuarea se face magnetic, cu ajutorul a doi magneți permnanenți, unul fix, poziționat dedesubtul senzorului, iar celălalt se deplasează în plan vertical pe o distanță de 22mm, cu frecvență de 0,3 Hz
Injectarea probei
- cu magnetul fix dedesubtul senzorului, iar cu cel mobil aflat la distanța maximă, se injectează suspensia 5 min. la 25 pL/min și apoi se așteaptă 5 min. pentru stabilizarea semnalului;
Actuarea
- se actuează magnetul mobil la frecvență de 0,3 Hz, deplasarea facându-se pe o distanță de 22mm.
Măsura
- se înregistrează semnalul electric cules de la electrozii de măsură, evoluția, în urma aciuării, a valorii absolute a impedanței, |Z| la frecvența de 500 kHz.
- semnalul electric se prelucrează astfel: se calculează spectrul de putere pentru fiecare interval de 4200 de achiziții (intervalul este ales pentru o rezoluție în frecvență ~ 0.01Hz) și se determină amplitudinea semnalului periodic cu frecvența de 0,3 Hz, care depinde de concentrația celulelor din probă.
- Pentru referință, respectiv pentru cazul concentrației zero, semnalul provine exclusiv din actuarea PI (nelegate de celule) se obține amplitudinea AR=8,8±3,5 mV. Prin reprezentarea variației relative a amplitudinilor oscilațiilor la frecvența de aciuare față de amplitudinea referinței, în funcție de concentrațiile cunoscute ale celulelor (E.coli) se determină curba de calibrare. Prin raportarea semnalului măsurat pe probă la curba de calibrare se determină concentrația de E.coli din probă.
Astfel un semnal cu amplitudinea Ac =123,6 ±23,4 mV, respectiv amplitudinea relativă definită prin: AC/AR-I 13 corespunde concentrației de 10s celule/mL.
Alegerea tipului și dimensiunii particulelor indicatoare se face astfel încât: incubarea să conducă la legarea unui număr cât mai mare de analiți să nu se lege între ele, semnalul aferent oscilației particulelor nelegate de celule sa fie cât mai mic (neglijabil) și oscilația fiecărui cluster să conducă la un semnal cât mai mare.
- 2 Ο 1 1 - tl 0 ' i 6 - 1 6 -ÎI2- 2011
Pentru particulele indicatoare paramagnetice, etapele de separare și concentrare de după incubare, cât și cea de aciuare se realizează cu ajutorul unor magneți.
Ca alternativă există posibilitatea separării particulelor indicatoare de analiți, ex microorganismele legate afin de suprafața de măsură, pentru ca aciuarea să se realizeze exclusiv asupra analiților țintă.
Metoda prezintă, pentru acest exemplu de aplicare, avantajul că același set de senzori poate fi utilizat pentru detecția oricărui tip de analit, ex. micro-organisme, specificitatea nefiind dată de tipul suprafeței senzorului (care este pasivată pentru a împiedica orice adsorbție) ci de legarea afină a particulelor indicatoare de analiți țintă (în faza de incubare).
B) Pentru detecția si determinarea concentrației unor analiți cu masă moleculară mică (de exemplu toxine, antibiotice etc) metoda presupune exclusiv utilizarea de particule indicatoare.
Pentru că, de regulă (pentru analiții cu masă moleculara mică), semnalul datorat legării directe de suprafața senzorului este extrem de mic, pentru obținerea unui semnal semnificativ metoda propune utilizarea particulelor indicatoare. Aceste particule trebuie să permită, ex. prin intermediul unor ancore, imobilizarea pe suprafața lor a unor structuri afine similare celor conținute de analitul țintă și prin care acesta se leagă de partenerul afin imobilizat pe suprafața senzorului. Proprietățile (modificate prin aciuare), dimensiunea și forma particulelor indicatoare, precum și tipul și numărul ancorelor trebuie să fie alese astfel încât să nu rămână situsuri active ascunse, iar oscilația să corespundă unei variații a semnalului util (ex. electric, optic) cât mai mare. în cazul în care aciuarea periodică a particulelor indicatoare se realizează prin intermediul unor câmpuri magnetice, particulele indicatoare trebuie să aibă proprietăți (super) paramagnetice.
Metoda pentru detecția si determinarea concentrației unor analiți cu masă moleculară mică este ilustrată în fig. 2 și implică o secvență de etape precum:
1) Se prepară:
a) suprafața senzorilor astfel încât să se imobilizeze compușii ce corespund unui partener afin (specific) la analitul țintă;
b) suprafața particulelor indicatoare astfel încât să se imobilizeze linkeri (ancore) care să aibă la celălalt capăt structuri afine i.e. specifice similare celor conținute de analitul țintă și care determină legarea analitului țintă de partenerul afin imobilizat pe suprafața senzorului. Legarea de zonele active de pe suprafața senzorului prin intermediul unor linkeri are rolul de a permite particulelor indicatoare să se deplaseze, ex. să oscileze fără afectarea legăturii ^“2 0 1 1 - 0 0 1 3 6 -1 6 -02- 2011 ί
afine; în cazul în care semnalul util nu este datorat deplasării periodice a particulelor indicatoare, ci este determinat de modificarea, în urma aciuării, a unor proprietăți (ex. electrice, optice etc) ale particulelor indicatoare, sau a unor compuși de care acestea sunt legate afin, lungimea linkerilor trebuie aleasă astfel încât să permită o legare afină cât mai eficientă.
2) Se prepară proba susceptibilă să conțină analitul țintă, care este adusă în stare lichidă;
3) Se injectează în compartimentul analitic, succesiv:
• proba, ceea ce va conduce la legarea specifică în funcție de concentrația analitului țintă din probă, inactivându-se astfel un procent din zonele de legare prezente pe suprafața senzorului;
• se injectează în locul probei suspensia de particule indicatoare funcționalizate; concentrația acestora trebuie să fie suficient de mare astfel încât să conducă la inactivarea tuturor zonelor aflate pe suprafața senzorului, pe care sunt imobilizați compuși parteneri specifici de legare cu analiții țintă, inclusiv în cazul în care proba nu conține anal iți țintă;
4) Se stabilesc condițiile de aciuare, respectiv: câmpul aplicat (ex. magnetic), precum și parametrii de aciuare, ex. frecvența, profilul evoluției intensității, pozițiile limită și se aplică aciuarea (cu ajutorul modulului cu acest rol) care conduce la modificări măsurabile ale unor parametri (ex: electrici, optici, de poziție etc) cauzate de aplicarea actuării asupra constituenților și se face aciuarea (cu ajutorul modulului cu acest rol, de exemplu utilizând câmpuri magnetice) care să conducă atât la variații periodice ale unor parametri (ex. de poziție, electrici, optici etc) determinate de exercitarea actuării asupra particulelor indicatoare, cât și/sau la eficienți zarea legării lor afine (specifice) de suprafața senzorului; pentru acest exemplu de utilizare a metodei este posibil ca legarea particulelor indicatoare să conducă direct la obținerea unui semnal util pentru determinarea concentrației analitului țintă, fără să fie nevoie de aciuare, sau intensitatea actuării periodice să fie foarte mică.
5) Se monitorizează semnalele (ex. optice, electrice) cauzate de aplicarea actuării asupra particulelor indicatoare din compartimentul analitic prin intermediul parametrilor ex. electrici (impedanța) și/sau optici (SPR) determinându-se parametrii utili ex. amplitudine și defazaj față de sistemul de aciuare, sau după caz, aferente legării directe a particulelor indicatoare de zonele de pe senzor pe care sunt imobilizați compuși parteneri specifici, rămase active după injectarea probei;
C\-2 Ο 1 1 - O O 1 3 6
6 -02- 2011
6) Se detectează prezența, sau se extrage concentrația de analiți utilizând curbe de calibrare. Amplitudinea oscilației este dependentă de numărul de particule indicatoare legate de zonele de pe senzor pe care sunt imobilizați compuși parteneri specifici, rămase active după injectarea probei. Curba de calibrare va arata un semnal, datorat oscilațiilor determinate de exercitarea aciuării asupra particulelor indicatoare, cu atât mai mic cu cât concentrația analitului țintă din proba este mai mare. în cazul in care nu e nevoie de aplicarea unei aciuări (intensitatea acesteia se alege zero) curba de calibrare se determină utilizând semnalele aferente legării directe a particulelor indicatoare de zonele de pe senzor pe care sunt imobilizați compuși parteneri specifici, rămase active după injectarea probei.
Metoda prezintă, pentru acest exemplu de aplicare, cel puțin două avantaje majore față de metodele actuale de detecție:
a) este robustă, independentă de efectul legării nespecifice a unor alți compuși din probă, diferiți de analitul țintă (semnalul util provine exclusiv de la particulele indicatoare). în acest scop, curbele de calibrare vor fi realizate utilizând aceleași soluții (matrici complexe), similare probelor reale;
b) poate fi utilizată cu succes chiar și în cazul analiților cu masă moleculară mică (e.g. toxine) pentru care semnalul datorat legării specifice directe analit-senzor este prea mic pentru a fi sesizat.
C) Pentru detecția si determinarea concentrației unor catene ADN, ilustrată în Fig. 3, metoda presupune monitorizarea reacției de hibridizare și implică următoarele etape:
1) Se funcționalizează (prepară) senzorii astfel încât pe suprafața acestora să se imobilizeze catene complementare structurii ADN țintă și care să aibă legate de capătul liber particule indicatoare.
2) Se prepară proba susceptibilă să conțină catenele ADN țintă astfel încât să fie adusă în stare lichidă;
3) Se injectează proba în compartimentul analitic;
4) Se stabilesc condițiile de actuare, respectiv: câmpul aplicat (ex. magnetic), precum și parametrii de actuare, ex. frecvența, profilul evoluției intensității, pozițiile limită și se realizează aciuarea (cu ajutorul modulului cu acest rol, de exemplu utilizând câmpuri magnetice) care să conducă la deplasarea periodică a particulelor indicatoare legate de senzor prin intermediul catenelor complementare structurii ADN țintă.
II
Χ-2 Ο 1 1 - Ο Ο 1 5 *>' - 1 6 -02- 2011
5) Se monitorizează procesul de hibridizare (ce se derulează în compartimentul analitic) prin analiza deplasărilor, sau oscilațiilor particulelor indicatoare relevate de metode electrice (impedanța) si/sau optice (SPR) determinându-se pentru fiecare metoda parametrii relevanți ai semnalelor respective (ex. amplitudine și defazaj față de sistemul de actuare). Hibridizarea presupune legarea specifică a unei catene ADN țintă de cea complementară, imobilizată la un capăt pe suprafața senzorului și care are la celălalt capăt o particulă indicatoare care poate oscila. Diferențele de rigiditate între structura ADN-ului bicatenar și monocatenar vor conduce la modificarea amplitudinii și fazei oscilației particulei indicatoare. Evoluția procesului de hibridizare este relevată de evoluția atât a amplitudinii oscilației (scăzătoare) cât și a defazajului.
6) Se detectează prezența, sau se extrage concentrația de catene ADN țintă prin utilizarea curbelor de calibrare care pot fi realizate atât pe baza parametrilor ce descriu dinamica procesului, cât și folosind parametrii oscilației particulelor indicatoare aferente atingerii unui nivel staționar, „final”.
Metoda prezintă, pentru acest exemplu de aplicare, avantajul că alegerea parametrilor de actuare permite poziționarea particulelor indicatoare corespunzătoare alungirii maxime (aferente dimensiunii catenei ADN) pe o durată optimă cu relevanță atât pentru măsură, dar are și un efect important la creșterea randamentului reacției de hibridizare, iară a fi nevoie de introducerea unor structuri suport, care sunt de regulă nelipsite la metodele senzoristice actuale pentru evaluarea hibridizării ADN.

Claims (4)

  1. Revendicări
    1. Metodă de detecție si de determinare a concentrației unor analiți prin aplicarea controlată a unui stimul periodic, caracterizată prin aceea că, constă în parcurgerea următoarelor etape, în ordine cronologică:
    - se prepară elementele senzoristice sau de recunoaștere specifică, respectiv:
    a. se imobilizează elemente de recunoaștere afină pe suprafața unor particule indicatoare;
    b. se prepară suprafața senzorilor din compartimentul analitic, realizându-se, după caz:
    - imobilizarea unor compuși care conțin elemente afine care, în funcție de tipul de analit țintă, pot avea legate particule indicatoare la capătul opus senzorului;
    - pasivarea acestora, pentru împiedicarea oricărei adsorbții, în cazul în care recunoașterea specifică a analitului se face prin incubarea probei cu particule indicatoare, în etapa de preparare a probei;
    - se prepară proba pentru a fi introdusă în stare lichidă în compartimentul analitic, după caz: direct sau după incubare cu particule indicatoare;
    - se injectează în compartimentul analitic proba, sau/și după caz, o suspensie concentrată care conține particule indicatoare;
    - se stabilesc condițiile de aciuare, respectiv: câmpul aplicat ex. magnetic, electric, optic, mecanic etc și parametrii de aciuare, ex. frecvența, profilul evoluției intensității, pozițiile limită și se aplică aciuarea care să conducă la modificări măsurabile, de regulă periodice, ale unor parametri, electrici, optici, de poziție, de deformare și după caz, la eficientizarea legării afine;
    - se monitorizează semnalele ex. optice și electrice, cauzate de aplicarea aciuării asupra constituenților din compartimentul analitic determinându-se parametrii utili;
    (\-2 Ο 1 1 Ο Ο 1 3 6 - 1 6 -02- 2011
    - se detectează prezența și se determină concentrația de analii utilizând curbe de calibrare determinate în prealabil din analiza unor probe cu concentrații cunoscute de anal iți.
  2. 2. Metoda conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, în scopul detecției si determinării concentrației unor analiți cu masa moleculară mare, de tipul: agregate, particule, sau micro-organisme se parcurg următoarele etape:
    - se prepară particule indicatoare imobilizându-se pe suprafața acestora compuși afini specifici analitului țintă;
    - se prepară proba susceptibilă să conțină analitul țintă prin aducere în stare lichidă și se incubează împreună cu o suspensie cu o concentrație optimă de particule indicatoare funcționalizate;
    - se extrage din compartimentul de incubare, se concentrează într-un volum redus și se injectează în compartimentul analitic, suspensia în care se află clustere de analiți și particulele indicatoare, precum și, după caz, o cantitate reziduală de particule indicatoare nelegate de analit; se poate considera o etapă de separare care să elimine din volumul care va fi analizat cantitatea de particule indicatoare nelegate de analit;
    - se stabilesc condițiile de aciuare și se aplică aciuarea care conduce la modificări măsurabile, de regulă periodice, ale unor parametri, electrici, optici, de poziție, de deformare a analiților, sau a unor conglomerate analit-compuși legați specific de acestea.
    - se monitorizează semnalele cauzate de aplicarea aciuării asupra constituenților din compartimentul analitic, determinându-se parametrii utili, care pot fi, după caz, amplitudinea sau/și defazajul față de sistemul de actuare;
    - se detectează prezența și se determină concentrația de analiți utilizând curbe de calibrare.
  3. 3. Metodă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, în scopul detecției, și determinării concentrației unor analiți cu masă moleculară mică, se parcurg următoarele etape:
    - se prepară:
    a) suprafața senzorilor astfel încât să se imobilizeze compușii ce corespund unui partener specific la analitul țintă;
    y
    l. O 1 i - o o 1 3 ? - 1 6 -02- 2011
    b) suprafața particulelor indicatoare astfel încât să se imobilizeze linkeri (ancore) care să aibă la celălalt capăt structuri afine i.e. specifice similare celor conținute de analitul țintă și care determină legarea analitului țintă de partenerul afin imobilizat pe suprafața senzorului, legarea de zonele active de pe suprafața senzorului prin intermediul unor linkeri având rolul de a permite particulelor indicatoare să se deplaseze, ex. să oscileze fără afectarea legăturii afine, iar în cazul în care semnalul util nu este datorat oscilației particulelor indicatoare, ci este determinat de modificarea, în urma actuării, a unor proprietăți electrice, optice etc ale particulelor indicatoare, sau a unor compuși de care acestea sunt legate afin, lungimea linkerilor trebuie aleasă astfel încât să permită o legare afină cât mai eficientă.
    - se prepară proba susceptibilă să conțină analitul țintă, care este adusă în stare lichidă;
    - se injectează în compartimentul analitic, succesiv:
    • proba, ceea ce va conduce la legarea specifică în funcție de concentrația analitului țintă din probă, inactivându-se astfel un procent din zonele de legare prezente pe suprafața senzorului;
    • suspensia de particule indicatoare funcționalizate, în locul probei;
    - se stabilesc parametrii de actuare și aplică aciuarea care să conducă la variații periodice a unor parametri, de poziție, electrici, optici etc, determinate de exercitarea actuării asupra particulelor indicatoare, cât și la efîcientizarea legării lor specifice, afine de suprafața senzorului;
    - se monitorizează semnalele cauzate de aplicarea actuării asupra particulelor indicatoare, determinându-se parametrii utili ex. amplitudine și defazaj față de sistemul de actuare, sau după caz, aferenți legării directe a particulelor indicatoare de suprafața activă a senzorului;
    - se detectează prezența si se determină concentrația de analit utilizând curbe de calibrare.
  4. 4. Metodă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, în scopul în scopul detecției și determinării concentrației unor catene ADN se parcurg următoarele etape:
    0.-2 O 1 1 - O D 1 3 6 - 1 6 -02- 2011 π
    - se prepară senzorii astfel încât pe suprafața acestora să se imobilizeze catene complementare structurii ADN țintă și care să aibă legate de capătul liber particule indicatoare.
    - se prepară proba de analizat, care conține catenele ADN țintă, prin aducere în stare lichidă;
    - se injectează proba în compartimentul analitic;
    - se stabilesc condițiile de actuare atât pentru creșterea sensibilității măsurătorilor, dar și pentru creșterea randamentului reacției de hibridizare;
    - se realizează aciuarea care să conducă la deplasarea, posibil periodică, a particulelor indicatoare legate de senzor prin intermediul catenelor complementare structurii ADN țintă;
    - se monitorizează procesul de hibridizare prin analiza deplasărilor, sau oscilațiilor particulelor indicatoare determinându-se parametrii relevanți ai semnalelor respective ;
    - se detectează prezența, sau/ și se determină concentrația concentrația de catene ADN țintă prin utilizarea curbelor de calibrare care pot fi realizate atât pe baza parametrilor ce descriu dinamica procesului, cât și folosind parametrii deplasării, posibil oscilatorii a particulelor indicatoare aferente atingerii unui nivel staționar, „final”.
ROA201100136A 2011-02-16 2011-02-16 Metodă de determinare a concentraţiei unor analiţi prin aplicarea controlată a unui stimul periodic RO127854B1 (ro)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201100136A RO127854B1 (ro) 2011-02-16 2011-02-16 Metodă de determinare a concentraţiei unor analiţi prin aplicarea controlată a unui stimul periodic
EP12733235.1A EP2710359B1 (en) 2011-02-16 2012-02-16 Systems and method for detection and quantitation of analytes using impedance analysis
PCT/RO2012/000003 WO2012141605A1 (en) 2011-02-16 2012-02-16 Systems and method for detection and quantitation of analytes using impedance analysis
US13/398,472 US9315855B2 (en) 2011-02-16 2012-02-16 Systems and methods for detection and quantitation of analytes using an oscillating stimulus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201100136A RO127854B1 (ro) 2011-02-16 2011-02-16 Metodă de determinare a concentraţiei unor analiţi prin aplicarea controlată a unui stimul periodic

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RO127854A2 true RO127854A2 (ro) 2012-09-28
RO127854B1 RO127854B1 (ro) 2014-08-29

Family

ID=46880898

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ROA201100136A RO127854B1 (ro) 2011-02-16 2011-02-16 Metodă de determinare a concentraţiei unor analiţi prin aplicarea controlată a unui stimul periodic

Country Status (1)

Country Link
RO (1) RO127854B1 (ro)

Also Published As

Publication number Publication date
RO127854B1 (ro) 2014-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9315855B2 (en) Systems and methods for detection and quantitation of analytes using an oscillating stimulus
Eissa et al. Ultrasensitive peptide-based multiplexed electrochemical biosensor for the simultaneous detection of Listeria monocytogenes and Staphylococcus aureus
Moina et al. Fundamentals and applications of immunosensors
Li et al. Gold nanoparticle amplified optical microfiber evanescent wave absorption biosensor for cancer biomarker detection in serum
Gruhl et al. Biosensors for diagnostic applications
Andreescu et al. Trends and challenges in biochemical sensors for clinical and environmental monitoring
Escamilla-Gomez et al. Gold screen-printed-based impedimetric immunobiosensors for direct and sensitive Escherichia coli quantisation
Eivazzadeh-Keihan et al. Recent progress in optical and electrochemical biosensors for sensing of Clostridium botulinum neurotoxin
Zelada-Guillen et al. Ultrasensitive and real-time detection of proteins in blood using a potentiometric carbon-nanotube aptasensor
Liu et al. Graphene-DNAzyme-based fluorescent biosensor for Escherichia coli detection
CN113976195B (zh) 一种用于外泌体分离富集的微流控芯片,以及一种外泌体表面蛋白的分析方法
US6110660A (en) Procedure for quantitative and qualitative determination of chemical substances, based on molecular recognition and measurement of magnetic permeability
Zhang et al. Microfluidic flow cytometry for blood-based biomarker analysis
CN104328192B (zh) 核酶放大的高灵敏电化学免疫分析方法
CN112858257A (zh) 一种检测食源性致病菌的多功能集成拉曼纳米传感器
JP2014505235A (ja) 微生物の検出および定量方法
CN111426849B (zh) 一种测定可溶性总蛋白中14-3-3蛋白表达水平的方法
Ma et al. Roles of entropic and solvent damping forces in the dynamics of polymer tethered nanoparticles and implications for single molecule sensing
CN102099494A (zh) 用于检测和/或定量噬菌体的方法和系统,用于检测所述噬菌体的微电子传感器装置的应用以及用于实现所述方法的微电子传感器装置
Li et al. Simple and sensitive aptasensor based on quantum dot-coated silica nanospheres and the gold screen-printed electrode
Mani et al. Bi-cell surface plasmon resonance detection of aptamer mediated thrombin capture in serum
Li et al. Edge-enhanced microwell immunoassay for highly sensitive protein detection
RO127854A2 (ro) Metodă de determinare a concentraţiei unor analiţi prin aplicarea controlată a unui stimul periodic
David et al. In situ detection and viability assessment of target microorganisms
CN103399005B (zh) 基于羧基化碳纳米粒子和dna相互作用测定溶菌酶的方法